CN101468850A

CN101468850A - 间歇式曝气膜生物反应器及使用该反应器的污水处理方法

Info

Publication number: CN101468850A
Application number: CNA2007103042824A
Authority: CN
Inventors: 冯旭东; 高玉兰; 汪苹
Original assignee: Beijing Technology and Business University
Current assignee: Beijing Technology and Business University
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-01

Abstract

本发明提供一种用于进行污水处理的设备，具体涉及一种间歇式曝气膜生物反应器，其包括反应池、曝气头、微孔管膜组件、搅拌器和流体控制系统；其中该曝气头位于反应池底部，通过导管及曝气调节阀与置于反应池外部的气体压缩机相连；该搅拌器位于反应池中央；该微孔管膜组件位于反应池中部，其通过并联的导管及电磁阀分别与置于反应池外部的气体压缩机和自吸泵相连，该电磁阀由时间控制器控制；一水泵通过导管向反应池内输送待处理水；反应池内装有生物活性污泥。本发明还提供使用该反应器的污水处理方法，其包括如下步骤：进水；搅拌1～2小时；同时通过曝气头和微孔管膜组件进行曝气；静沉10～20分钟；吸出上清液。

Description

间歇式曝气膜生物反应器及使用该反应器的污水处理方法

技术领域

本发明涉及用于进行污水处理的环保设备技术领域，具体涉及一种膜曝气的膜生物反应器。

背景技术

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)是将膜分离技术与废水生物处理技术相结合的一种新型高效的污水处理与回用技术。利用MBR工艺可以将城市污水按一定要求处理后回用于市政、生活杂用，这样既满足人类活动对水资源的需求，节约了优质水，又减轻了水体污染，是实现污水资源化、缓解水资源不足的重要途径。

实际应用中以膜技术取代活性污泥法中的二次沉淀池，由于其高效分离作用，达到了原来二次沉淀池无法比拟的泥水分离和污泥浓缩效果，从而可以大幅度提高生物反应器中的混合液浓度，使泥龄增长、剩余污泥量减少、出水水质提高。新型MBR作为一种高效的废水处理方法，不仅可以完全去除悬浮固体以改善出水水质，而且可以通过膜分离的作用，将二沉池无法截留的游离细菌和大分子有机物完全阻隔在生物池内，尤其是那些增殖速度慢的细菌，由于膜的高效截留作用而在曝气池中得到富集，增加了它们与活性污泥的接触时间，从而可以提高有机物和氮、磷的去除率。这一技术还在含油和生物难降解等工业废水处理等方面取得了很好的效果。

膜生物反应器一般由生物反应器与膜组件两部分组成。按照功能可分为分离式膜生物反应器、曝气式膜生物反应器和萃取式膜生物反应器。

分离式膜生物反应器，即用膜生物反应器取代传统的二沉池进行固液分离。

曝气式膜生物反应器工艺采用透气性膜直接供应高纯氧，而不在生物膜上形成气泡，氧传质效率可接近100％，因为在反应器中，气体的分压被控制在小于泡点，从而使氧气不能进入大气，而被充分利用。曝气式膜生物反应器适用于处理高需氧量的废水，以及挥发性有机物(VOC)的生物降解、联合硝化，在单一生物膜上进行反硝化和/或者有机碳氧化。

萃取式膜生物反应器工艺所用的膜组件是由硅胶或其他疏水性聚合物制成的，一种方式是废水流和生物膜被硅橡胶膜隔开，易挥发的有机污染物可很快通过硅橡胶膜，在生物膜中进行生物降解，而废水中的无机质不能通过硅橡胶膜，因此废水中的有害离子组分对微生物的降解作用就没有影响。

由于膜污染的广泛存在，限制了膜生物反应器的应用范围。为了减轻膜污染或减少清洗频率，国内外的研究者进行了大量的工作。研究表明，膜污染是物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜面上的沉淀与积累或膜孔内吸附造成膜孔径变小或堵塞，使水通透膜的阻力增加，妨碍了膜面上的溶解与扩散，从而导致膜产生通透流量与分离特性的不可逆变化现象。广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染(不可逆污染)，而且包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成(可逆污染)，二者共同造成运行过程中膜通量的衰竭(李春杰等，错流膜生物反应器水力清洗特性研究[J]，环境科学，1999，20(3)：57-60)。

影响膜污染的因素很多，比如污泥浓度(封莉等，污泥浓度对膜生物反应器运行特性的影响研究[J]，哈尔滨工业大学学报，2003，35(3)：307-310)、膜结构、膜的物理特性、膜一溶质一溶剂之间的相互作用(包括静电作用力、范德华力、溶剂化作用、空间立体作用)。为了预防或减缓膜污染，研究者采取了一系列的措施：如低水通量、错流过滤、间歇操作、曝气、控制污泥浓度、原料液预处理(pH控制、溶液中盐浓度、温度、溶质浓度)，控制BOD负荷、操作压力、液体流速，改善膜表面的流体力学条件，机械方法(振动膜组件或加强搅拌)，附加场的方法(利用电场、超声波)，加入活性炭等。这些手段的引入，从一定程度上改善了膜污染的状况，但仍然需要探索防止膜污染的新途径。

张永明等(张永明等，双功能陶瓷膜生物反应器处理废水的研究[J]，环境科学，2002，23(4)：67-70)采用双功能陶瓷膜生物反应器处理模拟废水进行了研究，研究结果表明：通过抽滤与曝气的切换，可以有效解决膜易堵塞的问题，同时可以得到较高的废水处理效率。

前已述及，污泥浓度是膜污染的一个重要影响因素，然而，以上的双功能膜是在较高的污泥浓度下进行抽滤，膜通量降低的速度很快。为了进一步降低膜污染，有必要对双功能膜反应装置和废水处理工艺进行改进，以取得预防和控制膜污染的有效途径，得到较高的膜通量。

发明内容

为提高膜生物反应器的出水水质，同时降低膜污染，延长膜的使用寿命，使膜在较高的通量下运行，本发明提供一种间歇式曝气膜生物反应器及使用该反应器的污水处理方法。

本发明包括一种间歇式曝气膜生物反应器，其包括反应池、曝气头、搅拌器、微孔管膜组件和流体控制系统；其中该曝气头位于反应池底部，通过导管及曝气调节阀与置于反应池外部的气体压缩机相连；该搅拌器位于反应池中央；该微孔管膜组件位于反应池中部，其通过并联的导管及电磁阀分别与置于反应池外部的气体压缩机和自吸泵相连，该电磁阀由时间控制器控制；一水泵通过导管向反应池内输送待处理水；反应池内装有生物活性污泥。

本发明的上述间歇式曝气膜生物反应器，其中该微孔膜组件可以为聚乙烯微孔烧结管。

本发明的上述间歇式曝气膜生物反应器，其中该聚乙烯微孔烧结管的孔径范围可以为4-10μm。

另一方面，本发明提供利用上述间歇式曝气膜生物反应器处理污水的方法，其包括如下步骤：

一、进水；

二、搅拌1～2小时；

三、同时通过曝气头和微孔管膜组件进行曝气，气体总量与水的体积比为30～40：1；

四、静沉10～20分钟；

五、吸出上清液。

本发明的上述污水处理方法，其中该自吸泵可采用间歇式运行，抽吸2～4分钟，停止1～2分钟。

本发明的有益效果在于，一方面，在反应器曝气阶段，同时利用微孔管膜和曝气头进行曝气，通过微孔管膜的反曝气可以减轻污染物在膜孔内和外表面的沉积；同时，由于曝气头曝气的搅动作用，也可以使污染物脱离膜表面。另一方面，利用微孔管膜材料进行曝气，可以提高氧的利用效率。再一方面，在反应器的沉降阶段，污泥沉降后采用膜对上清液进行分离，此时可以得到较高品质的出水，同时由于上清液中的污泥含量小，可以有效提高膜通量，降低分离过程中膜的污染。另外，反应器的间歇式运行过程，进水—曝气(膜曝气与池底曝气头曝气同时进行)—静置—膜出水，能够交替造成好氧和缺氧环境，使反应器具有较好的脱氮效果。

附图说明

图1为本发明的间歇式曝气膜生物反应器示意图。

图2为常规交替曝气膜生物反应器示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明做进一步描述。

图1所示为本发明的间歇式曝气膜生物反应器的一种实施方案，其包括反应池2、至少一个曝气头3、搅拌器4、至少一个微孔管膜组件5和流体控制系统；其中曝气头3位于反应池2的底部，通过导管及曝气调节阀8与置于反应池外部的气体压缩机6相连；搅拌器4位于反应池2的中央；微孔管膜组件5位于反应池2的中部，通过并联的导管及电磁阀9、10分别与置于反应池外部的气体压缩机6和自吸泵7相连，该电磁阀由时间控制器11控制；水泵1通过导管向反应池内输送待处理水；反应池2内装有生物活性污泥(图中未显示)。

本发明的间歇式曝气膜生物反应器中使用的微孔膜组件为聚乙烯微孔烧结管。孔径范围为4-10μm。

另一方面，发明者进行了间歇式曝气膜生物反应器处理污水工艺方法的研究，对影响反应器流态的曝气量及影响膜污染积累的膜抽吸与停抽时间进行了正交试验。结果表明，缩短抽吸时间或延长暂停时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，但过短的抽吸时间和过长的暂停时间和过大的曝气量不能进一步减轻膜污染，因此应在保证一定产水量的前提下确定适宜的抽、停时间和曝气量。由此确定以下污水处理方案(如图1所示)：

(1)污水由水泵1送至膜生物反应池2，液面高度没过微孔膜组件5，利用搅拌器4进行搅拌1～2小时；

(2)打开气体压缩机6，气路电磁阀9和曝气调节阀8打开，同时由微孔膜组件5和池底曝气头4曝气，调节阀门8和9的开度，保证微孔膜组件5表面有小气泡冒出；

(3)曝气，气体总量与水的体积比达到30～40：1后，关闭气体压缩机6，停止曝气；

(4)混合液静置10～20分钟，活性污泥沉降；

(5)启动自吸泵7，切换电磁阀10，通过微孔管进行上清液抽吸，抽吸2～4分钟，停止1～2分钟；

上述电器控制采用时间控制器11自动完成。

本发明的间歇式曝气膜生物反应器及污水处理方法的特点在于，在同一个反应器中在时间上造成交替的缺氧和好氧环境，这有利于对废水进行生物脱氮。氮磷是植物和微生物的主要营养性元素，当水体中含N>0.2mg·L^-1，P>0.02mg·L^-1，水体就会营养化。水体营养化后会引起某些藻类的恶性繁殖，一方面某些藻类本身有藻腥味会引起水质恶化，另一方面有些藻类所含的蛋白质毒素会富集在水产物体内，并通过食物链影响人体的健康。水体中大量藻类死亡的同时会耗去水中所含的氧，从而引起水体中鱼虾等水产物的大量死亡，致使湖泊退化、淤泥化甚至消亡。

根据传统生物脱氮理论，脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个过程。硝化过程是氨氮通过亚硝酸盐向硝酸盐的自养型转换，是由化能无机营养菌-硝化细菌在好氧条件下完成的；反硝化过程则被认为是在严格的厌氧条件下完成的。常规的废水生物脱氮反应过程是硝酸型脱氮，即依次按下式进行：

硝化反应：NH₄ ⁺+1.5O₂＝NO^2-+2H⁺+H₂O (1)

NO^2-+0.5O₂＝NO^3- (2)

反硝化反应：NO^3-+2H(氢供给体-有机物)＝NO^2-+H₂O (3)

NO^2-+3H(氢供给体-有机物)＝0.5N₂+H₂O+OH^- (4)

本发明污水处理方法的曝气步骤提供了好氧环境，污水中的无机营养菌-硝化细菌利用充足的氧气进行硝化反应；而在随后的静沉步骤中没有氧气的补充，营养菌-硝化细菌耗尽了水中氧气，进而由水中有机物与亚硝酸盐和硝酸盐进行反硝化反应，生成氮气，从而有效降低了水中氮的浓度。

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

采用本发明上述实施方案的反应器进行洗浴污水处理，其中聚乙烯微孔烧结管的平均孔径为8μm。首先将污水由水泵1送至膜生物反应池2，液面高度没过微孔膜组件5，反应池2内预先装有获自北京市北小河污水处理厂二沉池中的活性污泥，系统污泥浓度约为4g/L，进水水质指标如表1所示。搅拌1小时。然后打开气体压缩机6，气路电磁阀9和曝气调节阀8打开，同时由微孔膜组件5和池底曝气头4曝气，调节阀门8和9的开度，保证微孔膜组件5表面有小气泡冒出，曝气1.5小时(气体总量与水的比例为30：1)，关闭气体压缩机6，停止曝气。随后混合液静置10分钟，活性污泥沉降。动蠕动泵7，切换电磁阀10，通过微孔管进行上清液抽吸，排水30min，抽吸2分钟，停止1分钟。上述电器控制采用时间控制器11自动完成。得到处理后的出水。

实验过程中对微孔管膜组件的过滤性能进行监测，结果表明：微孔管膜组件的膜比通量在运行初期(12天)基本维持在40～50L/(m²·kPa)，之后缓慢降低并稳定于约20L/(m²·kPa)。

实施例2

采用与实施例1相同的污水及操作步骤，改变操作条件，首先搅拌1.5小时，随后采用微孔管曝气100分钟，然后静沉0.2小时，最后通过蠕动泵排水30min，蠕动泵采用间歇式运行，抽吸3分钟、停止1分钟。得到处理后的出水。

实施例3

采用与实施例1相同的污水及操作步骤，改变操作条件，首先搅拌2小时，随后采用微孔管曝气2小时，然后静沉0.25小时，最后通过蠕动泵排水30min，蠕动泵采用间歇式运行，抽吸4分钟、停止2分钟。得到处理后的出水。

比较例1

使用一种常规的曝气膜生物反应器对实施例1中的污水进行处理，该反应器的结构如图2所示，其包括反应池22、两个微孔管膜组件23和流体控制系统；其中两个微孔管膜组件23位于反应池22的中部，分别通过导管及电磁阀26、27与置于反应池外部的气体压缩机24和自吸泵25相连，该电磁阀由时间控制器28控制；水泵21通过导管向反应池内输送待处理水；反应池22内装有与实施例1中相同的生物活性污泥(图中未显示)。

污水处理过程中，当一个微孔管膜组件曝气时，另一个微孔管膜组件进行抽吸，每隔20分钟，两个微孔管膜组件交替曝气和抽吸，实现连续进水，连续曝气和连续抽吸。上述程序控制采用时间控制器28自动完成。得到处理后的出水。

实验过程中对微孔管膜组件的过滤性能进行监测，结果表明：微孔管膜组件的膜比通量在运行初期(10天)基本维持在45～55L/(m²·kPa)，之后缓慢降低并稳定于约8L/(m²·kPa)。

实施例4

对上述实施例1—3及比较例1处理后的出水水质进行测定，指标如表2所示。

表1 进水水质参数

(注：COD为化学耗氧量；BOD₅为生物耗氧量。)

表2 出水水质参数

结果表明，实施例1—3和比较例1的出水水质均优于建设部关于生活杂用水的水质标准。

Claims

1.一种间歇式曝气膜生物反应器，其特征在于包括反应池、曝气头、搅拌器、微孔管膜组件和流体控制系统；其中该曝气头位于反应池底部，通过导管及曝气调节阀与置于反应池外部的气体压缩机相连；该搅拌器位于反应池中央；该微孔管膜组件位于反应池中部，其通过并联的导管及电磁阀分别与置于反应池外部的气体压缩机和自吸泵相连，该电磁阀由时间控制器控制；一水泵通过导管向反应池内输送待处理水；反应池内装有生物活性污泥。

2.按照权利要求1所述的间歇式曝气膜生物反应器，其特征在于所述的微孔膜组件为聚乙烯微孔烧结管。

3.按照权利要求2所述的间歇式曝气膜生物反应器，其特征在于所述的聚乙烯微孔烧结管的孔径范围为4-10μm。

4.使用权利要求1所述的间歇式曝气膜生物反应器的污水处理方法，其特征在于包括如下步骤：

一、进水；

二、搅拌1～2小时；

三、同时通过曝气头和微孔管膜组件进行曝气，气体总量与水的体积比为30～40∶1；

四、静沉10～20分钟；

五、吸出上清液。

5.按照权利要求4所述的污水处理方法，其特征在于所述自吸泵采用间歇式运行，抽吸2～4分钟，停止1～2分钟。